O 引言

　　局域網(wǎng)技術(shù)發(fā)展十分迅速，Ethernet （以太網(wǎng)）是目前使用廣泛的局域網(wǎng)技術(shù)。因此，學習以太網(wǎng)技術(shù)對深入掌握局域網(wǎng)知識是非常重要的?！队嬎銠C網(wǎng)絡(luò)》課程是大學計算機及相關(guān)開設(shè)的一門計算機與通信的課程。本課程具有很強的實踐性，很多教學內(nèi)容都需要高成本的實驗環(huán)境才能實現(xiàn)，加上網(wǎng)絡(luò)設(shè)備更新快、成本高，一般高校難以承擔。而通過軟件技術(shù)。建立一個軟件模擬的實驗室環(huán)境，不僅可節(jié)約實驗成本，還可提高實驗教學的水平和質(zhì)量。

　　1 實驗平臺的硬件設(shè)計

　　計算機網(wǎng)絡(luò)實驗平臺的硬件框圖如圖1所示，它主要由C805lF310、CS8900A和MAX232以及外圍電路組成。

　　1.1 單片機C8051F310

　　C805lF310是美國Cygnal公司的產(chǎn)品。該器件是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU芯片，采用32腳LQFP封裝，體積較小。C8051F310的模擬外設(shè)包括10位ADC以及速率可達200 KSpS的兩個模擬比較器。器件的供電電壓為2.7～3.6 V，典型工作電流為5mA@25MHz，典型停機電流為0.1μA。同時，C8051F310還帶有1280字節(jié)的內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM（1 K+256）和16 KB的閃速存儲器，可以在系統(tǒng)編程，其扇區(qū)大小為512字節(jié)。該MCU芯片的數(shù)字外設(shè)包括29個端口I／O，所有口線的耐壓均為5 V，并具有4個通用16位計數(shù)器／定時器。

　　1.2 以太網(wǎng)控制芯片CS8900A

　　CS8900A是CIRRUS LOGIC公司生產(chǎn)的低功耗、性能優(yōu)越的16位以太網(wǎng)控制器，功能強大。該芯片的突出特點是使用靈活，其物理層接口、數(shù)據(jù)傳輸模式和工作模式等都能根據(jù)需要而動態(tài)調(diào)整，通過內(nèi)部寄存器的設(shè)置來適應不同的應用環(huán)境。CS8900A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　CS8900A包括片上RAM、10BASE-T發(fā)送和接收濾波器以及帶24 mA驅(qū)動能力的直接ISA總線接口。它獨特的PacketPage結(jié)構(gòu)可自動適應網(wǎng)絡(luò)通信量模式的改變和現(xiàn)有系統(tǒng)資源，因而系統(tǒng)效率很高。

　　CS8900A的內(nèi)部功能主要是802.3介質(zhì)訪問控制塊（MAC）。802.3介質(zhì)訪問控制塊可支持全雙工操作，并可完全依照IEEE802.3以太網(wǎng)標準來處理有關(guān)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的發(fā)送和接收，包括沖突檢測、幀頭的產(chǎn)生和檢測、CRC校驗碼的生成和驗證等。通過對發(fā)送控制器（TXCMD）的初始化配置，MAC能自動完成幀的沖突后重傳。如果幀的數(shù)據(jù)部分少于64字節(jié)，它還能生成填充字段，以使數(shù)據(jù)幀達到802.3所要求的短長度。

　　它的主要特點如下：

　　符合IEEE802.3以太網(wǎng)標準，并帶有ISA接口；

　　片內(nèi)4K字節(jié)RAM；

　　適用于I/O操作模式，存儲器操作模式和DMA操作模式；

　　帶有傳送、接收低通濾波的10Base-T連接站口；

　　支持10Base2,10Base5和10Base-F的AUI自動重發(fā)；

　　電流消耗為55mA（5V電源）；

　　全雙工操作；

　　接網(wǎng)絡(luò)變壓器YL18-1080S到RJ45支持外部EEPROM。

　　另外，要實現(xiàn)CS8900A與主機之間的數(shù)據(jù)通訊，在電路設(shè)計時可根據(jù)具體情況靈活選擇合適的數(shù)據(jù)傳輸模式。CS8900A支持的傳輸模式有I/O模式和Memory模式，另外還有DMA模式。其中，I/O模式訪問CS8900A存儲區(qū)的缺省模式，比較簡單易用。

　　CS8900A收到由主機發(fā)來的數(shù)據(jù)包（從目的地址域到數(shù)據(jù)域，如圖3所示）后，即可偵聽網(wǎng)絡(luò)線路，如果線路忙，就等待，否則就立即發(fā)送該數(shù)據(jù)幀，圖3所示是其802.3幀格式。

　　發(fā)送時。首先應添加以太網(wǎng)幀頭（包括先導字段和幀開始標志），然后生成CRC校驗碼，將此數(shù)據(jù)幀發(fā)送到以太網(wǎng)上。接收時，則把從以太網(wǎng)接收的數(shù)據(jù)幀經(jīng)過解碼、去幀頭和地址等步驟后所得到的數(shù)據(jù)放在緩存內(nèi)，這樣，在CRC校驗通過后，根據(jù)初始化配置情況，CS8900A通知主機收到了數(shù)據(jù)幀，并將數(shù)據(jù)用某種傳輸模式傳到主機的存儲區(qū)。

　　CS8900A基本工作原理是：在收到由主機發(fā)來的數(shù)據(jù)報（從目的地址域到數(shù)據(jù)域，如圖1所示）后，偵聽網(wǎng)絡(luò)線路。如果線路忙，它就等到線路空閑為止，否則，立即發(fā)送該數(shù)據(jù)幀。發(fā)送過程中，首先，它添加以太網(wǎng)幀頭（包括先導字段和幀開始標志），然后，生成CRC校驗碼，，將此數(shù)據(jù)幀發(fā)送到以太網(wǎng)上。接收時，它將從以太網(wǎng)收到的數(shù)據(jù)幀在經(jīng)過解碼、去掉幀頭和地址檢驗等步驟后緩存在片內(nèi)。在CRC校驗通過后，它會根據(jù)初始化配置情況，通知主機CS8900A收到了數(shù)據(jù)幀，，用上面介紹的某種傳輸模式傳到主機的存儲區(qū)中。

　　1. 3 硬件電路分析和設(shè)計

　　本實驗平臺采用C805lF310作為控制器，而以太網(wǎng)控制芯片CS8900A也是主要的一個工作部件，用于完成對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。此外，CS8900A還有兩個接口，一個是用來和用戶模塊連接的RS232串行接口（用MAX232芯片進行電平轉(zhuǎn)換），另一個是用來連接網(wǎng)絡(luò)的RJ45接口。

　　C805lF310通過數(shù)據(jù)線、地址線和控制線與CS8900A相連。它可通過等實現(xiàn)對CS8900A的工作方式的控制和讀寫操作。當CS8900A有硬件復位或軟件復位時，它將默認成8位工作模式。本設(shè)計采用8位模式，這樣，C805lF310的P1口與CS8900A的低8位數(shù)據(jù)線相連。實際上，除了為保證缺省偏移地址（0X300H）須將SA8和SA9置高外。其余不用的地址線都接入低電平。

　　2 實驗平臺的軟件設(shè)計

　　本系統(tǒng)的軟件部分主要包括計算機程序、單片機程序及以太網(wǎng)芯片CS8900A的驅(qū)動程序。

　　2.1 計算機程序

　　計算機程序或者軟件程序（通常簡稱程序）是指一組指示計算機每一步動作的指令，通常用某種程序設(shè)計語言編寫，運行于某種目標體系結(jié)構(gòu)上。為了一個程序運行，計算機加載程序代碼，可能還要加載數(shù)據(jù)，從而初始化成一個開始狀態(tài)，然后調(diào)用某種啟動機制。在層上，這些是由一個引導序列開始的。

　　計算機程序主要指的是實驗界面。這是人機交互的窗口。通過該界面，學生可以控制并查看發(fā)送和接收流程。這樣，可在發(fā)送數(shù)據(jù)時，輸入要發(fā)送的內(nèi)容，選擇使用的協(xié)議，并控制發(fā)送流程，然后查看并分析各層數(shù)據(jù)；而在接收數(shù)據(jù)時，則可通過分析收到的數(shù)據(jù)包來分析使用的協(xié)議。

　　2.2 CS8900A的驅(qū)動程序設(shè)計

　　在8位I／0模式下，CS8900A不支持中斷方式。因此，C805lF310采用查詢方式與CS8900A通信。在CS8900A開始工作之前，系統(tǒng)必須進行一定的初始化，以確定它的工作模式。通常在I／0模式下，MCU可以通過操作CS8900A的幾個主要的寄存器來實現(xiàn)對CS8900A中所有內(nèi)部寄存器進行讀寫，這幾個主要的工作寄存器有：

　　LINECTL（0112H）：可決定CS8900A的基本配置和物理接口。其初始值為00d3H，可選擇物理接口為10BASE-T，并使能設(shè)備的發(fā)送和接收控制位：

　　RXCTL （0104H）：控制CS8900A接收特定的數(shù)據(jù)報。初始值為0d05H，可接收網(wǎng)絡(luò)上的廣播或者目標地址同本地物理地址相同的正確數(shù)據(jù)報：

　　RXCFG（0102H）：可控制CS8900A接收特定的數(shù)據(jù)報并引發(fā)中斷。可設(shè)置為0103H：

　　BUSCT（0116H）：控制芯片的I／0接口的一些操作。設(shè)置初始值為8017H，可打開CS8900A的中斷總控制位：

　　ISQ （0120H）：ISQ是CS8900A的中斷狀態(tài)寄存器，可在內(nèi)部映射接收中斷狀態(tài)寄存器和發(fā)送中斷狀態(tài)寄存器的內(nèi)容：

　　TXLENG（0006H）：發(fā)送數(shù)據(jù)長度寄存器，發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先寫入發(fā)送數(shù)據(jù)長度，然后將數(shù)據(jù)通過PORT0寫入芯片。

　　寄存器后括號內(nèi)的數(shù)字是寄存器地址相對基址0300H的偏移量。需要注意的是，在初始化CS8900A之前需強迫其進入16位模式。當有中斷產(chǎn)生時，中斷管腳信號變高，并依次將5個寄存器的內(nèi)容映射到ISQ中，直到從ISQ中讀出OX000為止。其驅(qū)動程序的軟件流程圖如圖4所示。

　　2.3 MCU（C8051F310）主控程序

　　通常C8051F310首先初始化芯片CS8900A。初始化部分主要完成軟件復位并檢查復位完成標志是否置位；接著設(shè)定8／16位工作模式，默認為8位模式；接著中斷允許，使能接收中斷，確定CS8900A的中斷管腳號（根據(jù)硬件線路使用情況來確定），接收發(fā)送使能。

　　可以看出，鏈路層是由CS8900A完成的，而TCP／IP的網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層由C8051F310來處理，應用層則由用戶根據(jù)需要進行數(shù)據(jù)處理。

　　3 結(jié)束語

　　本文給出了基于C8051F310單片機和CS8900A以太網(wǎng)控制器的計算機網(wǎng)絡(luò)實驗平臺的設(shè)計方法。通過本實驗平臺，學生可以完成協(xié)議分析的相關(guān)實驗內(nèi)容，從而加強學生對TCP／IP協(xié)議族的理解。